Впрочем, радиационная ультрамикрометрия отнюдь не единственный и далеко не самый важный путь использования радиобиологии в качестве средства для научных исследований. И это не удивительно. Ведь ионизирующие лучи не знают преград и проникают в любые объекты на любую глубину. И в отличие от химических веществ, вступающих «по дороге» в реакции и изменяющихся при этом, остаются всегда теми же самыми. Экспериментатор всегда точно знает, что проникло в изучаемый объект и на какую глубину. Как же радиация служит науке?
Хотя мы и не всегда отдаем себе в этом отчет, но научное исследование состоит в сравнении. Иногда мы делаем это совершенно бессознательно. Например, описывая собаку, мы скорее всего упомянем о том, что у нее четыре ноги. Но ведь мы это делаем потому, что существуют животные, имеющие другое число ног (человек, птица, сороконожка) или даже вообще безногие (змея, инфузория). Если бы все живые существа были четвероногими, информация о том, что у собаки четыре ноги, оказалась бы излишней…
Или возьмем науку, о которой нам довольно много пришлось говорить в этой книге, — генетику. Если бы все особи данного вида не отличались друг от друга, не ломали бы люди с древнейших времен голову над вопросами: почему дети похожи на своих родителей, почему они наследуют их признаки так, а не эдак. И можно ручаться, что, если бы не было наследственной изменчивости организмов, не существовало бы и генетики, во всяком случае в той форме, в какой она возникла. А к чему сводятся методы генетической науки? Все к тем же сравнениям. Сравнивают признаки родителей и детей, братьев и сестер и т. д.
Метод созерцания применяется в любой науке лишь в ее младенческом возрасте. Как только наука становится наукой, ученые начинают экспериментировать, то есть как-то изменять нормальные структуры, нормальный ход жизненных процессов. Изучая работу измененного организма, познают их законы в норме. Отсюда ясно, каким незаменимым средством для исследователя становятся ионизирующие лучи. Ведь это — тончайший скальпель, с помощью которого можно куда угодно проникнуть и что угодно изменить.
Кроме того, ионизирующие излучения широко применяются в качестве исследовательского средства и вне связи с их биологическим действием, то есть вне прямой связи с радиобиологией. Рентгенография, электронография, рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов… И хотя сами по себе эти методы не радиобиологические, но при использовании их на живых объектах, приходится привлекать и радиобиологию. Ведь нужно знать, как сами методы влияют на изучаемый объект.
О методе меченых атомов придется сказать несколько слов, хотя с радиобиологией он связан лишь косвенно.
Атомы любого элемента не вполне одинаковы. У каждого элемента они существуют в виде нескольких разновидностей, так называемых изотопов, отличающихся друг от друга числом нейтронов в ядрах. Химические свойства всех изотопов данного элемента совпадают, поэтому они и ведут себя совершенно одинаково и в химических реакциях и в биологических процессах. Между изотопами каждого элемента так мало различий, что это доставило ученым массу хлопот при работе над атомной бомбой. До открытия плутония единственным расщепляющимся материалом служил один из изотопов природного урана. Для получения цепной реакции его нужно было выделить в чистом виде. Все методы, ведущие к цели, оказались крайне трудными, сложными и невероятно дорогими. В конечном счете ни один из них себя не оправдал.
Физики умеют получать искусственные радиоактивные изотопы любых элементов. Из-за того, что они химически ведут себя точно так же, как любые другие атомы того же элемента, они дают ученому совершенно уникальное средство для исследований. Радиоактивные атомы время от времени распадаются и выбрасывают ионизирующие частицы, обнаруживаемые с помощью специальных приборов. Поэтому к обычному веществу подмешивают небольшое количество радиоактивного изотопа, который всюду сопровождает его, посылая ионизирующие сигналы. Всеми основными успехами в изучении обмена веществ, достигнутыми за последние десятилетия, мы обязаны методу меченых атомов.
Но не довольно ли общих слов? Я хочу рассказать в качестве примера о расшифровке одного тончайшего биологического механизма. Речь пойдет о том, как образуются перед делением клеток новые хромосомы. Удвоение числа хромосом происходит в то время, когда их в микроскоп не видно. Да, кроме того, выяснению таких деталей микроскоп вряд ли помог бы. Раньше думали, что размножение хромосом происходит примерно так же, как размножение простейших: хромосома утолщается, а достигнув определенного размера, расщепляется вдоль. Но так ли это?
Американский генетик Джон Герберт Тэйлор воспользовался для изучения механизма редупликации хромосом методом меченых атомов. Применить его оказалось не просто. Ведь нужно было метить не клетки, даже не хромосомы, а отдельные части хромосом! На одной из стадий деления хромосомы расщеплены вдоль и состоят из двух половинок, так называемых хроматид. Был использован меченый тимидин — вещество, которое, попав в клетку, поступает только в хромосомы. В качестве метки взяли тритий — радиоактивный изотоп водорода. Избрали его не случайно. Энергия бета-частиц, излучаемых тритием, очень низка, путь их, состоящий из немногих ионизаций, не длинные линии, а почти точки.
Проростки бобов на короткое время помещали в раствор, содержавший меченый тимидин. Через разное время готовили препараты для микроскопического исследования. Но их делали не обычным способом, а покрывали фотографической эмульсией и хранили в течение определенного времени в темноте, а затем проявляли, как обычные фотопластинки. Хромосомы, содержавшие радиоактивную метку, оставляли на пластинке свои «автографы». А раз для метки был взят очень мягкий бета-излучатель, то было видно, какая из сестринских хроматид содержит радиоактивные атомы.
И вот что получилось. В первом клеточном делении все хромосомы оказались равномерно помеченными изотопом. Иное наблюдалось при втором делении, перед которым корешки находились в нерадиоактивной среде; оставалась только радиоактивность, данная в самом начале. Теперь метка распределялась неравномерно. Во всех хромосомах одна хроматида оставляла радиоактивные следы, а другая нет. Как объяснить такой результат? Ответ может быть только один. Старые структуры в течение всего опыта оставались неприкосновенными и строили возле себя новые хроматиды из материала, который находился вокруг и был перед первым делением радиоактивным, а перед вторым — обычным.
Кроме того, из этих опытов следовало, что из двух хроматид каждой хромосомы одна всегда «старая», а другая «новая». Долгие годы цитологи говорили о «сестринских» хроматидах. Но они оказались вовсе не сестрами, а «матерью» и «дочерью».
Эти результаты имели большое значение, заставив совсем по-другому посмотреть на строение и функции хромосом.
Метод Тэйлора имеет к радиобиологии, конечно, лишь очень косвенное отношение. Но тот же самый вопрос можно было решить и с помощью чистой радиобиологии (метод, о котором пойдет речь, был разработан и применен в нашей лаборатории).
В результате облучения отдельные участки хромосом теряют способность к самовоспроизведению, что и является одной из причин образования мутаций. Представим себе, что произойдет, если обе хроматиды будут инактивированы в одной и той же точке. Если хромосомы строятся так, что одна из них состоит из двух старых, а другая — из двух новых хроматид, то мы будем наблюдать одну фрагментированную, а другую вполне нормальную хромосому. Если же каждая состоит из одной старой и одной новой, то обе будут иметь по неполному разлому, который проявится в виде более светлых мест — пробелов.
В действительности после облучения наблюдаются как полные разрывы, так и пробелы. Относительное число их при разных дозах неодинаково. Чем доза облучения выше, тем больше полных фрагментов и тем меньше пробелов. Если получающуюся в опыте кривую зависимости эффекта от дозы продолжить влево, то она как раз пройдет через начало координат. Значит, при дозе «ноль», то есть без облучения, должны образовываться только пробелы. Следовательно, в норме каждая хромосома состоит из одной старой и одной новой хроматиды. Тот же вывод, к которому пришел Тэйлор на основании своих опытов с радиоактивной меткой. А радиобиологический метод, кроме того, показал, что дополнительные воздействия (в данном случае радиация) повреждают нормальный ход процесса формирования хромосом.